地源熱泵系統(tǒng)的應用及推廣

曹舉勝

摘要：文章介紹了地源熱泵系統(tǒng)的工作原理及分類，對具體工程應用實例進行了分析，并結合政府、行業(yè)的相關政策，對地源熱泵系統(tǒng)作為節(jié)能環(huán)保的推廣應用進行了論述。

關鍵詞：地源熱泵系統(tǒng)；熱泵；可再生能源；節(jié)能

中圖分類號：TU832文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）11-0025-02

一、熱泵的定義及其工作原理

（一）熱泵的定義

熱泵術語是借鑒水泵一詞而來。水泵是消耗一定的機械能，將水從低處送到高處的設備；而熱泵則是消耗一定的機械能，將低溫位熱能“泵送”到高溫位來供應熱量需求的設備。在我國《暖通空調術語標準（GB50155-92）》中，對“熱泵”的解釋是“能實現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉換的制冷機”；在《新國際制冷詞典》中，對“熱泵”的解釋是“以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)”?？梢姡瑹岜迷诒举|上就是制冷機，只是運行工況不同（在系統(tǒng)運行時，熱泵利用冷凝器放出來的熱量來制熱，實現(xiàn)為采暖、空調和生活熱水提供熱量）。

（二）熱泵的工作原理

熱泵的工作原理是：由電能驅動壓縮機，使工質循環(huán)運動反復發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中汽化吸

熱、在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過閥門切換使機組實現(xiàn)制熱（或制冷）功能。

二、地源熱泵系統(tǒng)及其特點

（一）地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地表淺層地熱資源作為冷熱源，實現(xiàn)對建筑物的供暖或供冷的高效節(jié)能的空調系統(tǒng)。

地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，蘊藏著無限的可再生能源，地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），通過熱泵實現(xiàn)低溫位到高溫位的能量轉移。在冬季利用熱泵吸收其熱量向建筑供暖，在夏季熱泵將吸收到的熱量向其排放，實現(xiàn)對建筑物的供冷。其工作原理大都是通過外部管道及閥門的切換來實現(xiàn)冬夏工況的轉換，夏季空調供、回水走蒸發(fā)器，水源水走冷凝器，冬季空調供回水走冷凝器，水源水走蒸發(fā)器。

地表淺層地熱資源的溫度計一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是熱泵很好的供熱熱源和供冷冷源，這種特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調運行效率要高35%左右，通常地源熱泵機組的性能系數(shù)COP（指其制熱量與所消耗的電能的比值）達到3.8～5.4，即消耗1kW的能量可以得到4kW以上的熱量或制冷量。

（二）地源熱泵系統(tǒng)構成

地源熱泵系統(tǒng)由地表淺層地熱資源、地熱能交換系統(tǒng)、熱泵機組、建筑物內系統(tǒng)（末端裝置）組成一完整的供熱空調系統(tǒng)。

（三）地源熱泵系統(tǒng)特點

1．節(jié)能。地源熱泵系統(tǒng)利用地表淺層地能進行供熱、制冷，與使用煤、氣、油等常規(guī)能源供熱制冷方式相比，地源熱泵系統(tǒng)供熱時省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統(tǒng)，節(jié)約了煤、氣、油等這些常規(guī)的不可再生能源；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的水耗。

2．環(huán)保。利用地源熱泵系統(tǒng)供熱、制冷無燃燒過程，避免了排煙、排污等污染，不產生廢渣、廢水、廢氣和煙塵。

3．運行效能高、費用低。夏季高溫差的散熱和冬季低溫差的取熱，使得地源熱泵系統(tǒng)換熱效率很高。因此，產生同樣熱量或冷量，其只需小功率的壓縮機就可實現(xiàn)，大大減少了電能消耗。其耗能僅為普通中央空調和鍋爐系統(tǒng)的50%～60%。

4．便于建筑物景觀設計。傳統(tǒng)的空調供熱，要有一個鍋爐房，空調一般要在樓上放一個冷卻塔。地源熱泵系統(tǒng)免設鍋爐房，又避免了在樓頂設置冷卻塔。

三、地源熱泵系統(tǒng)的分類及應用實例

地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)利用地熱源的種類和方式不同可以分為以下三類：地下土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水源熱泵系統(tǒng)、地表水源熱泵系統(tǒng)。

（一）地下土壤源熱泵系統(tǒng)（又稱地埋管地源熱泵系統(tǒng)）

地下土壤源熱泵系統(tǒng)是以大地作為熱源，熱泵的換熱器埋于地下，傳熱介質通過地埋管換熱系統(tǒng)與巖土體進行冷熱交換，這種系統(tǒng)的突出特點是：占地面積大，鉆井費用高。中央黨校校醫(yī)院8000m²，采用垂直埋管的土壤源熱泵空調系統(tǒng)，滿足冬季供暖、夏季供冷和生活熱水的需求。地埋管設在建筑周邊空曠的綠地下，共設160個深100m的循環(huán)孔，每個循環(huán)孔設置兩對U型管（共4根HDPE管，管徑為Ф32），孔間距為4米，共占地達2500m²。

（二）地下水源熱泵系統(tǒng)

利用地下水作為冷熱源的熱泵系統(tǒng)稱為地下水熱泵系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的突出特點是：適用于地下水資源豐富的地區(qū)。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在夏季將建筑物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達到夏季給建筑物室內制冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機組，從水源中“提取”熱能，送到建筑物中采暖。

北京鴻基花園小區(qū)商場工程4000m²，采用地下水熱泵系統(tǒng)滿足冬季供暖、夏季供冷的需求。設6個井（2抽水井，3回灌井，1備用井），井深90m，井間距30m，抽水管為焊接鋼管，管徑150mm。

（三）地表水熱泵系統(tǒng)（含再生水熱泵系統(tǒng)）

利用地表水（含河流、湖泊等）作為冷熱源的熱泵系統(tǒng)稱為地表水熱泵系統(tǒng)。地表的水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，地表水熱泵系統(tǒng)具有相對造價低廉、泵耗能低、維修率低以及運行費用少等優(yōu)點。2008年北京奧運會的奧運村工程成功應用了再生水熱泵系統(tǒng)。奧運村工程由42棟公寓樓組成，建筑面積達到53萬㎡，利用清河污水處理廠的二級出水（再生水），通過“再生水熱泵系統(tǒng)”提取再生水中的能源，為奧運村提供冬季供暖和夏季制冷。

四、地源熱泵技術的發(fā)展

我國從1998年開始在建筑工程中應用地源熱泵，經過近幾年的應用示范，現(xiàn)已得到上至政府官員，下至普通居民的廣泛關注。沈陽市是目前水源熱泵技術推廣和使用最為充分的城市。2006年，沈陽做出規(guī)劃，在“十一五”末期，沈陽將在7000萬平方米的建筑面積中，實現(xiàn)地源熱泵供暖。到目前為止，已有近1000萬平方米的各類建筑利用地源熱泵系統(tǒng)供暖（冷）。其中地下水源熱泵技術使用最多，占到97%以上，而土壤源熱泵技術與地表水源熱泵技術僅在個別工程中應用。目前，北京已約有500多萬平方米的建筑（占建筑市場1%～2%，且多數(shù)為高檔公共建筑和別墅類建筑）利用地源熱泵系統(tǒng)供暖（冷），前幾年地下水源熱泵技術使用較多，近兩年地埋管的土壤源熱泵占據(jù)了一定的市場。用業(yè)內人士的話說“從1999年到2002年，是熱泵市場的示范期；從2003年到2005年，熱泵技術市場逐年遞增，進入推廣期；2006年以后，全社會對熱泵技術的認識已經有了一次飛躍”。

五、地源熱泵系統(tǒng)的推廣應用前景

（一）政府對包含地源熱泵等可再生能源的利用給予了前所未有的支持鼓勵

2006年，建設部、財政部聯(lián)合發(fā)文對一些利用可再生能源的示范項目（含地源熱泵項目）給予資金補貼。北京市發(fā)改委等相關部門聯(lián)合下發(fā)了《關于印發(fā)關于發(fā)展熱泵系統(tǒng)的指導意見的通知》（京發(fā)改[2006]839號），支持鼓勵熱泵系統(tǒng)的建設和運營： “市、區(qū)縣政府投資的學校、醫(yī)院等公益性項目，供熱制冷系統(tǒng)優(yōu)先選用熱泵系統(tǒng)，所需投資從市政府固定資產投資中安排解決”；“在本市轄區(qū)內建設的各類項目，供制冷系統(tǒng)選用熱泵系統(tǒng)的，根據(jù)市規(guī)劃委核定的建筑面積從本市固定資產熱投資中安排一次性補助，補助標準為：地下（表）水源熱泵35元/平方米，地源熱泵和再生水源熱泵50元/平方米”。

（二）由于節(jié)約常規(guī)能源，充分利用可再生能源的國內外大趨勢及其突出的節(jié)能和保護大氣環(huán)境的功能，可預見中國地源熱泵技術應用前景廣闊，發(fā)展勢頭看好

對地下水資源豐富的地區(qū)，利用地下水作為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng)的推廣前景是廣闊的。地下水源熱泵應用的突出問題是地下水的回灌問題。地下水源熱泵應用要實現(xiàn)100%的回灌，并回灌到同一含水層，不污染地下水，且能長時間穩(wěn)定運行，并不容易做到。目前，有的項目在采用地下水源熱泵時未回灌或未完全回灌，造成了對地下水源的廉價開采和低效使用，在利用了水中能源時，卻浪費了更為寶貴的地下水資源。例如，北京市是地下水資源比較貧乏的地區(qū)，基于這個突出問題的存在，目前北京市地下水源熱泵的推廣應用有所降溫，業(yè)內有人士更傾向于地下埋管的土壤源地源熱泵系統(tǒng)。地下埋管的土壤源地源熱泵系統(tǒng)推廣應用受到以下因素的制約：一是關于冷熱負荷平衡的問題，就是全年由地下埋管系統(tǒng)提供的冷量與熱量之間一定要基本平衡；二是初投資較高：初投資約為500元/m²，其中冷熱源部分（地下埋管部分）占其50%多；三是占地面積大：對于像北京市這樣寸土寸金的城區(qū)，推廣會受到一定的限制。位于北京市東城區(qū)東直門香河園路的當代MOMA工程，總建筑面積22萬m²，采用了地源熱泵系統(tǒng)。該工程由于工程場地有限，打破了地埋管安裝在建筑周圍空曠的地下的常規(guī)做法，共656根地熱管，均埋于建筑結構之下，節(jié)約了2萬多平方米的占地面積，是目前國內首創(chuàng)、世界最大的單體建筑下?lián)Q熱器最多的地源熱泵項目，為場地不足的情況下實施地源熱泵提供了先例，但在一定程度上增加了施工難度和初投資費用。綜合這些因素，目前地下埋管的土壤源地源熱泵較適用于高檔公共建筑和別墅類建筑（冷暖兩用或供暖、供冷、生活熱水三用）。

當前，《地源熱泵系統(tǒng)技術規(guī)范》GB50366-2005已出臺。對地源熱泵系統(tǒng)的推廣應用起到了支持和規(guī)范作用。